Programmerer celler uten virus

Innen stamcelleforskning foregår et kappløp om omprogrammering av voksne og spesialiserte celler. Frem til nå har prosessen etterlatt problematiske rester inne i cellene.

Publisert

For eksempel har virus vært viktige verktøy som bærere av programmeringsgener.

Prosessen har dermed etterlatt virus og gener inne i cellene etter at omprogrammeringen er overstått.

Dette er genetisk materiale som fester seg til genomet og kan påvirke det genetiske uttrykket – altså hvilke gener som er slått av og på i cellenes genom.

Nå har to ulike forskningsgrupper kommet med to forskjellige løsninger på problemet.

- Dette er et stort fremskritt på feltet, kommenterer Philippe Collas, professor ved Institutt for medisinske basalfag ved Universitetet i Oslo (UiO).

Yamanaka

Dette er et felt hvor gjennombruddene kommer raskt. I 2006 fortalte den japanske forskeren Shinya Yamanaka at han hadde klart å omprogrammere hudceller fra mus. Året etter fikk vi vite at han hadde klart det samme for menneskeceller.

Du kan lese mer om disse gjennombruddene her.

Forsøkene med å omprogrammere celler fra voksne kropper stilles ofte opp mot forskningen på stamceller hentet fra embryo.

Embryonale stamceller er pluripotente, det vil si at de kan generere alle kroppens ulike celletyper.

Ganske logisk, når du tenker på at hele deg stammer fra en sammensmeltet eggcelle og sædcelle som begynte å dele seg.

De universelle kvalitetene til embryonale celler gjør at de er interessante å forske på.

Men å bruke celler fra embryo til forskning er omstridt. Omprogrammerte voksne celler, og mindre spesialiserte celler som alle har i kroppen, er ikke heftet med de samme etiske problemstillingene.

Problemfrie er de likevel ikke.

Fire genetiske faktorer

Yamanakas omprogrammering gikk ut på å sette fire spesifikke gener inn i de voksne cellene. Han kalte de omprogrammerte cellene for induserte pluripotente celler, eller iPS-celler.

"Shinya Yamanaka."
"Shinya Yamanaka."

De fire genetiske faktorene, kalt Oct4, Sox2, c-Myc og Klf4, ble fraktet inn i cellene ved hjelp av såkalte retrovirus.

Slike retrovirus integreres i arvestoffet, og kan føre til mutasjoner, hemme utviklingen og utgjøre en kreftrisiko. Genet c-Myc er dessuten et kreftgen.

Dersom vi tenker på mulig fremtidig terapeutisk bruk av slike celler, er dette et problem.

Ser vi på cellenes potensial ellers i laboratoriet, for eksempel innen sykdomsforståelse og testing av medisiner, er det også et problem at cellene inneholder kopier av gener og virus som ikke finnes eller er aktive i de ”originale” cellene, fordi dette kan endre måten cellene fungerer på.

Med andre ord er det ønskelig at iPS-cellene innholdsmessig er så like våre andre celler som mulig. Det er ikke ønskelig å etterlate ekstra gener eller virus i dem. To nye gjennombrudd har ført feltet et stort skritt nærmere dette målet.

Det ene gjennombruddet handler om at spesialiserte menneskeceller kan omprogrammeres uten å ta i bruk virus. Det andre viser at det er mulig å fjerne både viruset og de innførte genene når omprogrammeringen av cellene er ferdig.

Uten virus

Siden Yamanaka offentliggjorde de fire genetiske omprogrammeringsfaktorene, har mange forskergrupper jobbet med ulike virusvektorer for å omprogrammere celler med de samme faktorene.

De har brukt færre gener, og tryggere virus. De har også tatt i bruk såkalte plasmider, eller DNA-biter, med de nødvendige faktorene. Men de alternative tilnærmingsmåtene har ikke vært særlig effektive.

Noen grupper har klart å frakte de fire genetiske faktorene inn i dyreceller uten å bruke virus, men ingen har klart dette med menneskeceller – inntil nå.

Canadiske og Britiske forskere har nemlig satt de fire faktorene inn i en DNA-bit, eller en såkalt DNA-kassett. De har vist at kassetten kan settes inn i DNAet til både mus og mennesker, og at den kan omprogrammere cellene til å bli iPS-celler.

I tillegg har disse forskerne brukt et enzym kalt transposase til å fjerne hele kassetten fra musecellene, og de mener de snart vil klare det samme for menneskecellene.

Kritikere sier teknikken ikke er noen stor forbedring før forskerne har fått til denne sletteprosessen i menneskeceller også.

Slettet

Sletting er stikkordet for gjennombrudd nummer to. En gruppe amerikanske forskere har nemlig utviklet en teknikk som fjerner både virus og innførte gener etter omprogrammeringen av hudceller fra pasienter med Parkinsons sykdom.

"Embryonale stamceller"
"Embryonale stamceller"

De resulterende iPS-cellene har deretter blitt brukt til å lage dopamin-produserende nevroner, celletypen som ødelegges på grunn av sykdommen.

Dette er altså første gangen forskere har generert menneskelige iPS-celler som har beholdt sine universelle kvaliteter etter at omprogrammeringsgenene er fjernet.

Forskerne brukte virus til å frakte inn de genetiske faktorene, i tillegg til et gen som koder for enzymet Cre. Omprogrammeringsgenene ble omsluttet av korte DNA-sekvenser kalt LoxP-seter, som gjenkjennes av enzymet Cre.

Etter at hudcellene var omprogrammert til iPS-celler, sendte forskerne Cre-enzymet inn i dem, og dette fjernet DNAet mellom IoxP-bitene. Dermed ble omprogrammeringsgenene slettet fra cellene.

- Resultatet er en samling iPS-celler med genomer praktisk talt identiske med de fra Parkinsons-pasientene hvor cellene opprinnelig ble hentet fra, heter det i pressemeldingen fra Whitehead Institute for Biomedical Research.

Lignet mer på embryonale celler

Når forskerne sammenlignet det genetiske uttrykket i menneskelige embryonale stamceller med iPS-celler både med og uten omprogrammeringsfaktorene, så de at cellene uten disse faktorene lignet mer på embryonale celler enn iPS-cellene som fortsatt inneholdt de fire omprogrammeringsgenene.

- Omprogrammeringsfaktorene er kjent for å binde seg til og påvirke uttrykket av 3000 gener i hele genomet, så dette kan forandre hele genomet, sier Dirk Hockemeyer, en av forskerne bak studien.

- Det er årsaken til at de fire omprogrammeringsgenene kan rote til systemet så mye. Fra nå av vil det bli vanskelig for forskere å etterlate disse faktorene i iPS-celler, sier han i pressemeldingen fra Whitehead Institute for Biomedical Research.

Forskerne rapporterer at de har utviklet en effektiv teknikk for å gjøre dette.

Collas ved UiO påpeker imidlertid at selv om omprogrammeringsgenene og virusene fjernes fra iPS-cellene, løser det ikke kreftrisikoen som er knyttet til embryonale eller embryonal-lignende stamceller.

Embryonale stamceller og iPS-celler har nemlig egenskaper i seg selv som gjør at de kan gi kreft. Dersom iPS skal brukes i behandling, vil det dermed være viktig, og vanskelig, å sørge for at det ikke følger med noen celler som ikke har blitt differensiert, altså har utviklet seg til mer spesialiserte celler.

Laget nerveceller

Etter at de hadde slettet omprogrammeringsgene, klarte de amerikanske forskerne som nevnt å differensiere iPS-cellene til dopaminproduserende nerveceller. Hos pasienter med Parkinsons sykdom blir disse cellene hemmet, eller de dør. Dette forårsaker skjelving, hemmet bevegelsesevne og problemer med balansen.

Siden slike celler holder til inne i hjernen til pasientene, er det ikke enkelt å få tilgang til dem for å undersøke hvordan sykdommen utvikler seg på cellenivå. Hva er det som dreper cellene, og hvordan kan det være mulig å forhindre skaden?

Når forskerne kan lage slike celler fra iPS-celler, får de en helt annen mulighet til å studere dem i laboratoriet. Neste skritt er å bruke disse cellene som sykdomsmodeller, og dette er en stor utfordring, mener forskerne.

Suppe

Ved Institutt for medisinske basalfag har Philippe Collas en annen tilnærming til omprogrammeringen av celler, men han mener det ligger store muligheter i disse nye teknikkene.

- Dette er fortsatt vanskelig å gjøre, men det blir enklere og enklere, sier han.

Veldig forenklet sagt jobber forskningsgruppa til Collas med å bade celler i ulike kjemiske supper, som får dem til å bli mer som stamceller.

Forskjellen på en stamcelle og en spesialisert celle, handler grovt sett om hvilke gener som er slått av og på og hvordan genene er sammensatt i kromosomene.

Omprogrammeringen av en differensiert celle går dermed ut på å skru klokka tilbake, og aktivere sovende gener som er knyttet til embryonale celler.

- Vi kommer nok også til å ta i bruk disse nye teknikkene for å finne ut mer om hvorfor stamceller blir stamceller, sier Collas.

Samtidig vil han og forskningsgruppa fortsette med suppe-metoden.

Du kan lese mer om de ulike fremgangsmåtene i denne artikkelen.

Pakking

- Vi vil finne ut mer om hvordan kromosomene i en stamcelle er sammensatt, forklarer Collas.

"Philippe Collas."
"Philippe Collas."

For å få til dette ser forskerne ved UiO på hvordan genene er pakket sammen i cella. Hvis et gen er veldig tettpakket kan det ikke aktiveres. Har det derimot en litt løsere struktur, er det lettere å aktivere.

- Vi studerer gener som ikke er aktivert, men som kan aktiveres, sier Collas.

Når forskerne legger cellene i ulike kjemiske supper, handler det om å prøve å åpne opp embryonale gener som er slått av.

- Gener som er uttrykt under embryonal utvikling blir gradvis slått av ettersom differensiering skjer. Formålet er å slå dem på igjen, forteller Collas.

Han forteller at det er stimulerende og utfordrende å arbeide på et felt hvor det skjer så mye.

- Det skjer noe nytt hver dag. Det er utfordrende å følge med og henge med. Vi gjør så godt vi kan, men det er umulig å konkurrere med de store forskningsgruppene i utlandet. De har mye mer ressurser enn vi har, sier han.

Like vel ser han ikke bort fra at forskningsgruppa hans kan være først ute med noen funn.

- Det vil være snakk om mer fokusert forskning, for eksempel på ett gen eller en mekanisme, fremfor generelle begreper. De store gruppene genererer mye data som vi kan benytte for å adressere andre spørsmål, sier Collas.

Referanser:

Keisuke Kaji, Katherine Norrby, Agnieszka Paca, Maria Mileikovsky, Paria Mohseni & Knut Woltjen; Virus-free induction of pluripotency and subsequent excision of reprogramming factors; Nature; 1. mars 2009; doi:10.1038/nature07864.

Knut Woltjen, Iacovos P. Michael, Paria Mohseni, Ridham Desai, Maria Mileikovsky, Riikka Hämäläinen, Rebecca Cowling, Wei Wang, Pentao Liu, Marina Gertsenstein, Keisuke Kaji, Hoon-Ki Sung & Andras Nagy; piggyBac transposition reprograms fibroblasts to induced pluripotent stem cells; Nature; 1. mars 2009; doi:10.1038/nature07863.

Frank Soldner , Dirk Hockemeyer, Caroline Beard, Qing Gao, George W. Bell, Elizabeth G. Cook, Gunnar Hargus, Alexandra Blak, Oliver Cooper, Maisam Mitalipova, Ole Isacson and Rudolf Jaenisch; Parkinson’s Disease Patient-Derived Induced Pluripotent Stem Cells Free of Viral Reprogramming Factors; Cell; volum 136, utgave 5, 964-977, 6. mars 2009; doi:10.1016/j.cell.2009.02.013.

Lenker:

Whitehead Institute for Biomedical Research: Breakthrough method produces Parkinson’s disease patient-specific stem cells free of harmful reprogramming genes

 The University of Edinburgh: Breakthrough makes safer stem cells

Samuel Lunefeld Research Institute: Nagy Lab

Nature: Virus-free pluripotency for human cells

Science: A Better Way to Make Embryonic-like Stem Cells

BBC: ‘Ethical’ stem cell creation hope